追根溯源探因　優化創新提效

俞翠華　方巨豐

［摘 要］中學物理實驗教學發展至今，仍有部分實驗教學效果不太理想，成為公認的疑難實驗，需要教師在實驗教學中改進和優化。實驗改進本質上屬于發明創新，對疑難實驗的改進，應該關注實驗的發展演化過程，基于實驗溯源創新實驗方法，而不是隨機的靈光閃現。溯源，顧名思義就是追根溯源。通過檢索同行們的研究成果，知曉實驗的發展歷史、不同實驗設計的優缺點，以便站在“巨人”的肩膀上，開發出更為優秀的實驗作品。這種方法是蘇聯發明家阿奇舒勒創立的萃智理論的核心方法。 文章以“旋轉的液體實驗”為例介紹演示實驗的溯源與創新。

［關鍵詞］演示實驗；溯源；創新

［中圖分類號］? ? G633.7? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）08-0042-03

一、實驗的追根溯源

（一）從教材溯源

“旋轉的液體實驗”可以作為人教版物理選擇性必修第二冊第一章第一節“磁場對通電導線的作用力”的演示實驗。《普通高中課程標準（2017年版2020年修訂）》對本節課的要求是：通過實驗，認識安培力；能判斷安培力的方向，會計算安培力的大小；了解安培力在生產生活中的應用。關于“了解安培力在生產生活中的應用”，可以用重點剖析典型案例和一般性了解各種應用相結合的教學方法進行。新舊教材中都有兩個典型案例：電流天平和磁電式儀表，而“旋轉的液體”實驗在新教材中未保留，如圖1。

筆者認為，“旋轉的液體”實驗是一個承上啟下的實驗，它既能開拓安培力的應用領域，又是通向洛倫茲力的“接口”，棄之可惜。為此，要找到“旋轉的液體”實驗的不足，并將其進行優化，同時也要發掘與創新其他演示實驗，以便更好地為教學服務。

（二）從學情溯源

中學生的思維還未完全成熟，面對比較抽象的物理知識需要用實驗演示，才能使他們更好地理解物理知識。安培力和洛倫茲力是高中物理最為抽象的兩個力，雖然我們也用陰極射線管演示洛倫茲力，演示效果雖好，但卻遠離學生的經驗，還是有些抽象，不能有效引發學生思考。為了使學生建立安培力和洛倫茲力的概念，教師需要以學生原有經驗為基礎，強化學生的感性認識，有效激發學生的思維推測，讓學生深入理解與牢固掌握物理知識。

在此，采用導電液體在電磁場中旋轉作為建構的背景，讓學生從身邊的可以操作的現象認識安培力和洛倫茲力，取得了較好的教學效果。

二、實驗的優化創新思路

[1.質疑創新][“旋轉的液體”實驗作為演示實驗存在哪些不足？能否改進使其更好地研究安培力和磁場的大小和方向的關系？] [2.模型建構][3.科學推理][4.科學論證][學生對安培力在流體模型中的認知存在什么困難？建構一個相似的實體模型，幫助學生理解。][抓住宏觀電流與微觀離子定向運動間的關系，啟發學生尋找隱蔽在微觀視角下的安培力的產生機理。][在宏觀和微觀層面上解釋導電液體的安培力后，能否預測并論證：其他運動離子在磁場中也會受磁場力。]

三、實驗的優化創新與實踐

（一）質疑創新，理化克難

1.實驗不足

還原“旋轉的液體”這個實驗，在一個圓形槽的中心豎放一個圓柱形電極，沿邊緣內壁放一個圓環形電極，把它們分別與電池的兩極相連；倒入導電溶液——氯化鈉溶液，將整個裝置移入U形磁體中。觀察實驗現象，可以明顯看到實驗的幾大不足：

（1）可視性較弱，U形磁體擋住了觀察視線；

（2）因為氯化鈉溶液的電解（2NaCl+2H2O [通電 ] 2NaOH+H2↑+Cl2↑）溶液逐漸變黃，生成有毒的氯氣，有害健康。

（3）隨著電解的進行，溶液中的離子不斷減少，溶液旋轉也逐漸減弱，最后停止。

2.實驗改進

針對這些不足，可以從物理與化學的角度進行改進。

首先，如圖2所示，更換導電液體，用硫酸銅、硫酸鈉、硫酸鉀做實驗比氯化鈉更合適，因為它們電解的實質是水電解，即2H2O[ 通電 ]O2↑+2H2↑，生成的是無毒的氫氣和氧氣，而且水能一直電解，讓液體一直旋轉。其中飽和硫酸銅離子濃度高，帶電量多，實驗效果更好。

其次，更換磁體， 如圖3所示，把釹鐵硼圓柱形強磁鐵嵌入木板中很合適，磁場夠強，也不會產生遮擋。也可以把線圈繞到溶液盆的外面，并且匝數可調，這樣就可以通過改變線圈匝數來改變通電線圈產生的磁場，從而較全面地研究安培力與磁場的方向和大小的關系。

最后，更換電極，如圖4所示，因為增加導電液體和兩極的接觸面積，可以提升演示效果，所以邊緣可以用銅片環，中心可以用圓銅柱，也可以把銅絲繞成銅圈，效果也不錯。考慮到銅在電解時容易被腐蝕，可以用石墨片和石墨棒做兩極。連接好的實驗裝置圖如圖5、6所示

3.實驗效果

通過更換導電溶液和磁體后，原演示實驗的三大不足基本都得到了改進和優化。

通過對不同電極實驗的比較，發現演示效果最好的是用銅圈做中心電極的演示實驗。究其原因，是因為水電解產生的氧氣和氫氣，若中心電極是銅柱或石墨棒，則氣體只能向外噴涌而出，影響了水的旋轉；而中心電極是銅圈時，氣體可以向內、外同時噴涌，從而使向外噴出的氣體大大減少，對液體旋轉的影響也大大減少。用銅片環做邊緣電極最佳，若用石墨環做邊緣電極，雖然溶液旋轉的效果不錯，但實驗中大量石墨在反應時會脫落，黑色顆粒影響了硫酸銅溶液的純度，使硫酸銅溶液不能反復利用。另外，石墨片比較脆，沒有什么強度，容易斷裂，也不能反復利用，所以不如用銅片環做邊緣電極效果好。

下面通過改變線圈匝數來改變磁場強弱，相關實驗數據如表1所示。由表1可以看到：線圈匝數越多，磁場越強，導電液體旋轉也越強。

（二）建構模型，追根溯源

“旋轉的液體”實驗在演示過程中的不足，完全可以通過物理與化學的方法克服，而在實驗現象的解釋上，因為是導電液體受安培力，對學生而言，理解有點困難。2016年4月浙江物理選考題，追溯了法拉第電動機的原理，為我們找到了解釋的方法。

［例題］（2016年4月浙江物理選考）法拉第電動機原理如圖7所示。條形磁鐵豎直固定在圓形水銀槽中心，N極向上。一根金屬桿斜插在水銀中，桿的上端與固定在水銀槽圓心正上方的鉸鏈相連。電源負極與金屬桿上端相連，與電源正極連接的導線插入水銀中。從上往下看，金屬桿（）。

A. 向左擺動? ? ? ? ? ? ? ?B. 向右擺動

C. 順時針轉動? ? ? ? ? ?D. 逆時針轉動

如圖8所示，我們用硫酸銅溶液代替水銀，用強磁體代替條形磁體，來模擬實驗，正如答案D所描述的，金屬桿逆時針旋轉。金屬桿的旋轉如何幫我們解釋液體的旋轉呢？

（三）理論推理，實驗論證

1.理論推理

（1）如圖9所示，從上往下看，電流在金屬棒的邊緣和圓心之間流動，在中心磁體產生的磁場中受到安培力，金屬桿轉動。

（2）如圖10所示，在“旋轉的液體”中，一條條沿半徑方向的導電液體，就像是一條條的“液體棒”，電流從邊緣流向中心，“液體棒”因受安培力而轉動。旋轉的金屬棒模型幫助我們建立了導電液體的旋轉模型。

（3）如圖11所示，液體中電流由離子定向運動形成，磁場對電流的作用，是不是磁場對運動離子的作用呢？

（4）如圖12所示，如果把導電液體換成是其他離子呢？比如等離子體，是否也會有力的作用而產生旋轉呢？

2.實驗論證

如果我們能夠從實驗的角度驗證圖12的猜測，那我們也就找到了安培力在微觀層面的本質，也就找到了通向洛倫茲力的“接口”。下面我們一起進行實驗論證。

如圖13所示，左邊是裝置的正面，黑色的是環狀磁體，內壁嵌著一個金屬彈簧，可以接到高壓電源的正極；右邊是裝置的背面，有一根銅絲，一端固定在木塊上，另一端置于環狀磁體的中心，并連接高壓電源的負極。

接通電源后，可以觀察到如圖14所示的實驗現象：環狀磁體中的銅絲冒出“電火花”，并發生旋轉。究其原因，是因為中心銅絲在高壓下尖端放電，使空氣發生了電離，產生的等離子體受到沿半徑方向的電場力，從而沿半徑方向定向運動；同時，等離子體又受到環狀磁體產生的磁場力作用，正是這個力使其發生了旋轉。

綜上所述，磁場對氣體中運動的等離子體的作用力、磁場對液體中運動離子的作用力、磁場對金屬中運動電荷的作用力本質是相同的。因此，安培力宏觀上是對電流的作用，微觀上是對運動電荷的作用。這就是隱藏在安培力背后的微觀機理，也就是洛倫茲力的本質。至此，一個通向洛倫茲力的“接口”已打開，由學生推導洛倫茲力的表達式，也就有了充分的理論依據。一個通向另類電動機的窗口也已打開，由學生研制另類電動機也就有了堅實的實驗基礎。

四、溯源創新的模式

實踐證明，采用以下流程（如圖15），結合研究理論，運用溯源創新法，可大大加快疑難實驗的研究進程，提高實驗研究實效。

五、結束語

學生在課堂上推導安培力在宏觀層面與微觀層面間表現的關系，慢慢地找尋到安培力與洛倫茲力的關系，在課外繼續從實驗的角度驗證和探尋安培力與洛倫茲力的關系，也創造出了許多新的電動機模型，這也許就是演示實驗的巨大魅力。著名物理學家朱正元先生曾言：“瓶瓶罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗。”一個有實驗溯源和創新素養的教師能充分地展現實驗的魅力，淋漓盡致地發揮它的育人功能。

（責任編輯 易志毅）